Техника безопасности при работе с лазерным излучением

1. Физические основы работы лазеров

Лазер состоит из лазерной среды, системы «накачки» и оптического резонатора. Материал лазера должен находиться в метастабильном состоянии, при котором атомы или молекулы могут быть захвачены после получения энергии от системы накачки. Каждый из этих лазерных компонентов будет обсуждаться ниже.

1.1. Системы накачки

Система накачки передает энергию атомам или молекулам лазерной среды, давая им возможность перейти в возбужденное «метастабильное состояние», создавая инверсию заселенности.

• При оптической накачке используются фотоны, обеспечиваемые источником, таким как ксеноновая газонаполненная импульсная лампа или другой лазер, для передачи энергии лазерному веществу. Оптический источник должен обеспечивать фотоны, которые соответствуют допустимым уровням перехода в лазерном веществе.

• Накачка при помощи столкновений основана на передаче энергии лазерному веществу в результате столкновения с атомами (или молекулами) ла­зерного вещества. При этом также должна быть обеспечена энергия, соответствующая допустимым переходам. Обычно это выполняется при помощи электрического разряда в чистом газе или в смеси газов в трубке.

• Химические системы накачки используют энергию связи, высвобождаемую в результате химических реакций, для перехода лазерного вещества в метастабильное состояние.

1.2. Оптический резонатор

Оптический резонатор требуется для обеспечения нужного усиления в лазере и для отбора фотонов, которые перемещаются в нужном направлении. Когда первый атом или молекула в метастабильном состоянии инверсной заселенности разряжается, за счет вынужденного излучения он инициирует разряд других атомов или молекул, находящихся в метастабильном состоянии. Если фотоны перемещаются в направлении стенок лазерного вещества, обычно представляющего собой стержень или трубу, они теряются, а процесс усиления прерывается. Хотя они могут отразиться от стенок стержня или трубы, но рано или поздно они потеряются из системы и не будут способствовать созданию луча.

С другой стороны, если один из разрушенных атомов или молекул высвободит фотон, параллельный оси лазерного вещества, он может инициировать выделение другого фотона, и они оба отразятся зеркалом на конце генерирующего стержня или трубы. Затем отраженные фотоны проходят обратно через вещество, инициируя дальнейшее излучение в точности по тому же пути, которое снова отразится зеркалами на концах лазерного вещества. Пока этот процесс усиления продолжается, часть излучения всегда будет выходить через частично отражающее зеркало. Когда коэффициент усиления или прирост этого процесса превысит потери из резонатора, говорят, что началась лазерная генерация. Таким образом, формируется узкий концентрированный луч когерентного света. Зеркала в лазерном оптическом резонаторе должны быть точно настроены для того, чтобы световые лучи были параллельны оси. Сам оптический резонатор, т.е. вещество среды, не должен сильно поглощать световую энергию.

1.3. Лазерная среда

Обычно лазеры обозначаются по типу используемого лазерного вещества. Существуют четыре таких типа: твердое вещество, газ, краситель и полупроводник. Основные характеристики каждого типа представлены ниже.

• В лазерах на красителе используется лазерная среда, которая обычно является сложным органическим красителем в жидком растворе или суспензии. Наиболее значительная особенность этих лазеров — это их «приспособляемость». Правильный выбор красителя и его концентрации позволяет генерировать лазерный свет в широком диапазоне длин волн в видимом спектре или около него. В лазерах на красителе обычно применяется система оптического возбуждения, хотя в некоторых типах таких лазеров используется возбуждение при помощи химических реакций. Наиболее часто используемый лазер на красителе — это «Родами 6С», который обеспечивает настраивае- мость в диапазоне частот шириной 200 нм в красной части спектра (620 нм).

• Полупроводниковые лазеры (иногда называемые диодными лазерами) нельзя путать с твердотельными лазерами. Полупроводниковые лазеры состоят из двух слоев полупроводникового материала, сложенных вместе. Эти лазеры обычно очень маленького размера и очень умеренной мощности. Однако они могут объединяться в большие системы. Наиболее распространенным диодным лазером является диодный лазер на арсениде галлия с основным излучением на 840 нм.